高精度微纳压印机液压系统设计与控制

　　1　引言

　　微流控分析(Microfluidic Analysis)是微全分析系统的重要组成部分。将化学分析的多种功能集成在邮票大小的芯片上的微流体芯片又是当前最活跃的发展前沿,代表着21世纪分析仪器走向微型化、集成化的发展方向,已成为国内外许多著名实验室的奋斗目标。

　　微细加工技术是微流控分析系统发展的前提条件,目前有多种加工方法,包括模塑法、微压印法、LIGA技术、激光切蚀法、软刻蚀等。其中微纳压印法具有灵活方便,成本低,速度快等优点,是实现分析实验室“家庭化、个人化”的一种较为简便的途径。

　　热压法作为一种快速复制微流控芯片的技术,尤其适用于以聚合物材料为基片的微流控芯片。其过程为:在微纳压印装置中将聚合物基片加热到软化温度以上,通过在阳模施加一定的压力并保持一段时间,可在聚合物基片上压制出与阳模凹凸互补的微通道。然后在加压条件下,将阳模和刻有通道的基片一起冷却后脱模,就得到所需要的微结构。

　　微纳压印机主体由真空系统、压力机本体、液压系统、加热和冷却系统4部分组成。真空系统的主要作用就是在加压时提供真空环境,以防止芯片气泡的产生。真空室由橡胶密封圈等进行密封,可起到较好的密封作用。压力机本体即微流控芯片制作的工作台,用以完成微流控芯片热压成型全过程。热压机的工作平台同时提供加热冷却系统。液压系统是热压装置的施压器件,提供热压所需的动力。采用PLC作为控制器,通过串行接口通信实现上位机PC与PLC的之间的信息递。由PC对PLC进行压力、温度、时间、真空度等参数值的预设定,同时监视热压印各阶段的运行状态,及时反馈系统信息,实现对热压成型机的控制。其中液压系统是整个热压机正常工作的重要部件,它工作性能的优劣决定了产品质量的好坏。

　　2　微纳压印机液压系统设计

　　液压系统设计主要应考虑到升压的连续性以及保压阶段压力的稳定性。既要留有足够的用户操作空间,即液压活塞的行程足够大;又要尽量提高系统加工效率,缩短液压活塞进给时间,即在不影响加工精度的条件下提高活塞进给速度;还要考虑活塞运动的平稳性,并尽量降低噪声。

　　2.1　主要参数确定

　　表1给出了设计微纳压印机的液压系统需用到的参数取值。

　　根据表1提供的参数,可以计算得到液压装置最大负载为:

　　根据设计需要,取工作压力p=3 MPa,计算液压缸直径:,圆整为标准值取D=100 mm;根据加热板尺寸确定活塞直径d=80 mm。则得到液压缸面积与活塞面积分别为7850 与2826。